Трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений объектов контроля с разными элекромагнитными параметрами . Трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом содержит источник 1 синусоидального напряжения, блок 2 дискретной и плавной вариации частоты , согласующее устройство 3, рабочую 1J и компенсационную 12 части чувствительного элемента датчика, две секции 7 и 8 обмотки возбуждения, соединенные последовательно согласно, две секцииЭ и 10 измерительной обмотки, соединенные последовательно встречно, ферромагнитный сердечник 4, резистор R, соединенный последовательно с секциями 9 и 10 измерительной обмотки, избирательный усилитель 13, фазометр 14, рабочий якорь 15, симметрирующую пластину 6. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) (11) (5() 5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

L 1

iZ D

Фиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1627820 (21) 4859557/28 (22) 14.08.90 (46) 23.09.92. Бюл. N- 35 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Н.Д.Конаков, В.А.Столяров и Г.А.Киреева (56) Авторское свидетельство СССР

N . 1627820, кл. G 01 В 7/00, 1988. (54) ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений.

Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений объектов контроля с разными элекромагнитными параметрами. Трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом содержит источник 1 синусоидального напряжения, блок 2 дискретной и плавной вариации частоты, согласующее устройство 3, рабочую 1) и компенсационную 12 части чувствительного элемента датчика, две секции 7 и 8 обмотки возбуждения, соединенные последовательно согласно, две секции9 и 10 измерительной обмотки, соединенные последовательно встречно, ферромагнитный сердечник 4, резистор В*, соединенный последовательно с секциями 9 и 10 измерительной обмотки, избирательный усилитель 13, фазометр 14, рабочий якорь 15, симметрирующую пластину 6. 4 ил.

©л (л)

С) с) 1763870

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений.

Известный трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом содержит ферромагнитный сердечник Ж-образного сечения и, установленный с возможностью перемещения, рабочий якорь, симметрирующую ферромагнитную пластину, две секции обмотки возбуждения, соединенные между собой последовательно согласно, две секции измерительной обмотки, соединенные последовательно встречно, подборный резистор, соединенный последовательно с секциями измерительной обмотки, избирательный усилитель и фазометр.

Недостатком известного датчика является; низкая точность измерения перемещений рабочего ферромагнитного якоря (объекта контроля) с различными электромагнитными свойствами, при использовании в качестве объекта контроля подвижных поверхностей деталей (валов, роторов и др,), изготовленных из ферромагнитных материалов разных марок.

Это обусловлено изменением чувствительности преобразования и линейности выходной характеристики датчика. вследствие.паразитного изменения фазы результирующего сигнала за счет изменения угла сдвига фаз между геометрически суммируемыми сигналами, обусловленного непропорциональным изменением величины вносимых реактивных и активных сопротивлений в секции измерительных обмоток подвижными объектами контроля, изготовленными из ферромагнитных материалов разных марок.

Цель изобретения — повышение точности измерения перемещений объектов контроля с различными электромагнитными свойствами.

Поставленная цель достигается тем, что трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий Ж-образный ферромагнитный сердечник с двухсекционной обмоткой возбуждения на центральной части сердечника, соединенной последовательно согласно, и с двухсекционной рабочей йзмерительной обмоткой, состоящей из измерительной и компенсационной секций, соединенных последовательно встречно, фазометр, подборный резистор и избирательный усилитель, снаб- жен последовательно соединенными блоком вариации частоты, источником синусоидального напряжения и согласующим блоком, вход блока вариации частоты соединен с выходом источника синусоидального напряжения, а выход согласующе5

55 го блока соединен с двухсекционной обмоткой возбуждения.

На фиг,1 приведена электрическая схема трансформаторного датчика перемещений с фазовым выходом, на фиг.2— конструктивная схема чувствительного элемента датчика; на фиг,3 — векторная диаграмма выходных сигналов датчика; на фиг.4 — графические зависимости выходных характеристик датчика фаых = f (др) при f pi = const

Электрическая схема трансформаторного датчика перемещений с фазовым выходом (фиг.1) содержит источник синусоидального напряжения 1, блок 2 вариации частоты, согласующее устройство 3, рабочую 11 и компенсационную 12 части чувствительного элемента датчика, две секции 7 и 8 обмотки возбуждения, соединенные последовательно согласно, две секции

9 и 10 измерительной обмотки, соединенные последовательно встречно, ферромагнитный сердечник 4, резистор R*, соединенный последовательно с секциями измерительной обмотки 9 и 10, избирательный усилитель 13, фазометр 14, рабочий якорь (объект контроля) 5, симметричную ферромагнитную пластину 6.

Конструктивно чувствительный элемент трансформаторного датчика перемещений (фиг,2) с разделенными магнитными цепями рабочей и компенсационной части содержит ферромагнитный сердечник Ж-образного сечения 4, устанавливаемый с возможностью перемещения ферромагнитный якорь (объект контроля) 5, размещенный у открытого торца рабочей части сердечника 4, симметрирующую ферромагнитную пластину 6, размещенную у открытого торца компенсационной части сердечника 4. На центральном стержне сердечника в его рабочей и компенсационной частях размещены секции 7 и 8 обмотки возбуждения, секции 9 и 10 измерительной обмотки.

Для обеспечения симметрии рабочей и компенсационной частей датчика число витков секций 7 — 10 целесообразно выбирать одинаковым и при настройке датчика количество витков не изменять.

Трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом работает следующим образом;

Синусоидальное напряжение с выхода источника 1 через блок вариации частоты 2 и через согласующее устройство 3 поступает для питания обмотки возбуждения 7, 8, при этом в секциях 9, 10 измерительных обмоток возбуждаются напряжения U> и Uz.

С помощью блока вариации частоты 2 изменяют частоту синусоидального напряжения, 1763870 6 Рвых р2 p1 = а ctg

55 поступающего на обмотку 7, 8 возбуждения, и тем самым между напряжениями 02 и U> устанавливают угол сдвига фаз ро больше

90, но меньше 180 . При этом последовательно соединенные индуктивности секций

9, 10 измерительной обмотки и резистор R* представляют собой фазосдвигающую цепь типа L — В*, управляемую блоком вариации частоты 2. Напряжения 0> и 02 геометрически суммируют(фиг.1) на встречно включенных секциях 9 и 10 измерительной обмотки, а результирующее напряжение U. поступает на вход избирательного усилителя 13.

Компенсационное напряжение 02 поступает на второй вход (Sx.2) фазометра 14, а результирующее напряжение U поступает на первый вход (Вх.1) фазометра 14 с выхода избирательного усилителя 13, Симметрирующую пластину 6 при настройке датчика устанавливают с зазором дк.д. относительно сердечника 4 равным величине зазора др.д. соответствующим ко ) нечной точке диапазона измерения перемещения рабочего якоря 5, т.е. дх.д; = др.д

При перемещении рабочего якоря 5 (объекта контроля) в направлении увеличения зазора др (на фиг,1 показано стрелкой) напряжения 0> и 02 модулируются по амплитуде в функции перемещения, а именно напряжение 0< уменьшается, а напряжение Uz возрастает. Фаза вектора результирующего (суммарного) U напряжения изменяется при этом от значения < до значения р1 (фиг,3), Функция преобразования датчика определяется выражением (1) где psux — фаза результирующего сигнала U относительно вектоРа напРЯжениЯ 02(др); ф, — угол сдвига фаз между векторами напряжений 0>(gp) и 02(др), установленный с помощью изменения частоты синусоидального напряжения блоком вариации частоты 2.

Таким образом„при изменении модулированных по амплитуде напряжений 0 (др) и 02(др) на секциях измерительных обмоток в функции перемещения изменяется и фаза результирующего U напряжения на величину (pz — р1).

Повышение точности измерения перемещений рабочего ферромагнитного якоря (объекта контроля) с изменяющимися электромагнитными параметрами при исполь5

30 зовании в качестве объектов контроля подвижных поверхностей деталей (валов, роторов и др.), изготовленных из ферромагнитных материалов разных марок достигается следующим образом.

B процессе изготовления датчика для обеспечения работы с заранее известными ферромагнитными материалами и-количества объектов контроля, настройку датчика производят при выполнении следующих конструктивных требований:

1) количество витков секций 7, 9 и 8, 10 в рабочей и компенсационной частях датчика должно быть одинаковым и в процесе настройки число витков остается неизменным;

2) симметрирующая пластина 6 должна быть установлена с зазором дх.д, относительно сердечника 4 равным величине зазо- ра дрд., соответствующего конечной точке диапазона измеряемых перемещений объекта контроля 5 (дх,д.= др.д.) и при настройке дх.д. = const;

3) величина сопротивления резистора

R* выбирается соизмеримой с индуктивным сопротивлением измерительной обмотки (* Х изм,pa .) при номинальной частоте синусоидального напряжения, питающего обмотку возбуждения, t

При измерении перемещений объекта контроля иэ ферромагнитного материала заданной марки необходимо установить оптимальный угол сдвига фаз фо между напряжениями 01(др.) и 02(др.), позволяющий получить выходную характеристику датчика с заданной нелинейностью и.

Установка оптимального угла сдвига фаз Qpp осуществляется с помощью блока вариации 2, органом регулирования которого устанавливают частоты напряжения, которым питается обмотка возбуждения датЧИКа, раВНЫМИ f>, fZ, f3,... fn В дИаПаЗОНЕ частоты 1 — 10 кГц и на каждой частоте снимается выходная характеристика рвых =

f(Bp). Выходные характеристики (фиг.4) снятЫЕ На раЗНЫХ ЧаСтстаХ f, f2, f3,...,fn, ЭКВИВалентны выходным характеристикам, снятым при разных углах сдвига фаз между напряжениЯми 01(др) и 02(др) фо1, Qpz> ф33,„., Qpn соответственно, Это объясняется тем, что на

КажДОй ЧаСтОтЕ f1, f2 f3 fn УСтамаВЛИВаЕмой с помощью блока вариации 2, измерительная обмотка (являющаяся элементом фазосдвигающей цепи типа L - К*},имеет разные индуктивные сопротивления

XL), XLZ, XL3, ...XLn ÑOOòÂÅòÑòÂÅÍÍO. ВСЛЕДствие этого при изменении параметра Lфазосдвигающей цепи L - R*, управляемор блоком вариации частоты 2, каждой частоте

f1, f2, fg,...,fn соответствуют углы сдвига фаз ф 1, фд., ф з, ...., фь между напряжениями

01(др) и 02(др), Из семейства экспериментально снятых выходных характеристик (фиг.4) графическим путем выбирается характеристика с наименьшей нелинейностью п, которая заносится в формуляр (паспорт) датчика с указанием соответсвующей ей рабочей частоты и соответствуют определенному положению органа регулировки частоты блока вариации 2 с обозначением марки материала объекта контроля (например, сталь марки

20X13).

Аналогичным образом производится настройка с помощью блока вариации частоты 2 датчика для измерения перемещения и-количества объектов контроля из ферро: магнитных материалов других марок и для каждого объекта контроля должно быть соответствующее положение органа регулирования частоты на блоке вариации 2 с обозначением марки материала объекта контроля (например, сталь марки 07X16H6) и соответствующая выходная характеристика, занесенная в формуляр (паспорт) с указанием рабочей частоты, Таким образом, при измерении перемещений обьектов контроля из разных ферромагнитных материалов необходимо орган управления блока вариации частоты 2 установить в положение, соответствующее марке материала, из которого изготовлен обьект контроля и для расшифровки результатов измерения ис пользовать выходную характеристику, соответствующую данному материалу, 1763870 приведенному в формуляре (паспорте) и вследствие этого повышается точность измерения перемещений по сравнению с из5 вестным датчиком.

Кроме того, дополнительным эффектом является упрощение способа измерения за счет того, что настройка датчика производится только с помощью изменения частоты

10 блоком вариации 2, а в известном датчике настройка производится с помощью подборного резистора И*, перемещения симметрирующей пластины и изменением числа витков секции компенсирующей измерительной обмотки.

Использование предлагаемого трансформаторного датчика перемещений с фазовым выходом позволяет повысить точность измерения перемещений объектов контроля, изготовленных из ферромагнит20 ных материалов разных марок в 5 — 10 раз, а также упростить реализацию способа за счет использования при настройке датчика одного регулировочного элемента.

Формула изобретения

25 Трансформаторный датчик перемещенийй с фазовы м выходом по авт.св. N -1627820, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения объектов контроля с различными электромагнитными свойствами, он снабжен последовательнс соединенными блоком вариации частоты источником синусоидального напряжения и согласующим блоком, вход блока вариации частоты соединен с выходом источника си. нусоидального напряжения, а выход согла сующего блока соединен с двухсекционно обмоткой возбуждения.

/ 1 б

4 „„=Consf.

> р) МИ Рог.4

Составитель Н.Конаков

Редактор Т.Кузнецова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор А. Козориз

Заказ 3449 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101